Многослойный сосуд шаровой формы

Полезная модель относится к областям техники и технологий, где требуется использование сосудов, работающих при сверхвысоких, высоких и низких давлениях, испытывающих знакопеременные нагрузки. Задачей заявляемой полезной модели является создание сосудов шаровой формы, работающих в неограниченном диапазоне давлений - от вакуумного (ниже 0,1 мПа) до сверхвысокого (выше 8000 мПа), эксплуатационные свойства которых определяются предельными прочностными и теплофизическими свойствами материалов, из которых они изготавливаются. Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в расширении диапазона рабочих температур и повышении безопасности при эксплуатации. Указанный технический результат достигается заявляемой полезной моделью, включающий шаровую оболочку, выполненную из двух полусферических формованных оболочек, герметично соединенных между собой в «замок», отличающийся тем, что сосуд образован из набора отдельных шаровых оболочек, плотно вложенных одна в другую, каждая из которых составлена из полусфер, герметично соединенных между собой в «замок», при этом места стыка полусфер каждого слоя шаровых оболочек не совпадают.

Полезная модель относится к областям техники и технологий, где требуется использование сосудов, работающих при сверхвысоких, высоких и низких давлениях, испытывающих знакопеременные нагрузки.

Сосуды шаровой формы изготавливают из металлов, металлических композиционных материалов, полимерных композиционных материалов (ПКМ) и их комбинаций. Металлические конструкции, как правило, штампосварные, в которых слабым местом всегда является сварочный шов, определяющий прочность всей конструкции, особенно в тех случаях, когда технически сложно термически обработать готовое сварное изделие. Это вынуждает изготавливать изделия из марок сталей и сплавов, прочностные свойства которых существенно ниже предельно возможных для металлов. В таких конструкциях прочность изделия определяется толщиной оболочки, а от этого зависит вес изделия. Изделиям из ПКМ и в комбинированных конструкциях сосудов высокого давления, при многих их преимуществах, присущ принципиальный недостаток - ограниченные рабочие температуры эксплуатации, при которых начинается разупрочнение полимерной матрицы. Предельные рабочие температуры изделий из ПКМ в большинстве случаев не превышают 200°С. Для сосудов высокого давления из ПКМ и сосудов комбинированных конструкций, где силовые оболочки выполнены из ПКМ, температура эксплуатации ограничивается 50°С. Это ограничение делает сосуды высокого давления из ПКМ крайне опасными при эксплуатации в условиях за пределами этих ограничений, например, при использовании в транспортных средствах, работающих на сжатом газе, когда давление газа в сосуде достигает нескольких сотен мегапаскалей. Технология

изготовления изделий из ПКМ связана с вредными условиями и с относительно большим объемом ручного труда. Но во многих случаях с учетом этих ограничений изделия из ПКМ оказываются вне конкуренции по сравнению с металлическими, главным образом, по весовым и удельным прочностным характеристикам.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является сосуд высокого давления из ПКМ, включающий силовую оболочку из композиционного материала, герметизирующую оболочку и коаксиальные металлические штуцера с фланцами, заделанными в герметизирующую оболочку, и навинченные на штуцера гайки, при этом герметизирующая оболочка выполнена из двух композиционных полусферических формованных оболочек, соединенных между собой в «замок», место стыка которых закреплены поясом из композиционного материала [патент РФ №2256844, опубл. 2005.07.20].

Недостатком известного устройства является ограниченные рабочие температуры эксплуатации, при которых начинается разупрочнение полимерной матрицы и всей конструкции из ПКМ в целом.

Задачей заявляемого изобретения является создание сосудов шаровой формы, работающих в неограниченном диапазоне давлений - от вакуумного (ниже 0,1 МПа) до сверхвысокого (выше 8000 МПа), эксплуатационные свойства которых определяются предельными прочностными и теплофизическими свойствами материалов, из которых они изготавливаются.

Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в расширении диапазона рабочих температур и повышении безопасности при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается заявляемой полезной моделью, в которой сосуд высокого давления выполнен из

набора отдельных шаровых оболочек, плотно вложенных одна в другую, каждая из которых составлена из полусфер, герметично соединенных между собой в «замок», при этом места стыка полусфер каждого слоя шаровых оболочек не совпадают.

Заявляемый сосуд высокого давления может быть изготовлен как из металлических материалов, так и из ПКМ и их комбинаций.

При изготовлении металлических многослойных сосудов полусферы изготавливают штамповкой. Прессовая посадка, при помощи которой соединяют полусферы, обеспечивает герметичность стыка. Последовательный набор оболочек с перекрытием стыков обеспечивает нарастающие степень герметизации и прочности всей конструкции сосуда.

Полусферы из ПКМ формуют с использованием пуансонов и матриц, а сборка сосуда происходит аналогично металлическим. Дополнительно на посадочные поверхности «замка» полусфер из ПКМ перед их впрессовыванием друг в друга может наноситься герметизатор.

Наборная конструкция сосуда из независимых друг от друга оболочек обеспечивает его высокую стойкость к знакопеременным нагрузкам. Общая прочность сосуда определяется прочностными свойствами используемых материалов и количеством слоев оболочек.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически показан пример многослойного сосуда шаровой формы, получаемого без использования сварки, на фиг.2, 3, 4, 5, 6 показаны детали, из которых собирают сосуд. Каждая пара полусфер, образующая слой оболочек - одного размера, внутренний диаметр каждой пары наружной оболочки равен наружному диаметру охватываемой оболочки. Показан пример трехслойного сосуда, в котором каждый

наружный слой оболочек смещен на 90° относительно большого круга охватываемой оболочки.

Многослойный сосуд работает следующим образом. Давление в сосуде воспринимают стенки сосуда и запорная арматура, работа которой в данном изобретении не рассматривается. В оболочке первого (внутреннего) слоя слабым местом является стык, прочность которого меньше предела упругости материала с учетом коэффициента трения в месте прессовой посадки. Наложение второй оболочки перекрывает стык внутренней оболочки и давлению в сосуде уже противостоит дополнительно величина предела упругости материала второй оболочки. Каждый следующий слой оболочек повышает прочность конструкции сосуда на величину предела упругости материала каждого слоя. Таким путем можно наращивать прочность сосуда, ограниченную только пределом упругости материала оболочек и количеством их слоев.

Плотно уложенные слои оболочек в то же время независимы один от другого, что обеспечивает высокую герметичность при знакопеременных тепловых и силовых нагрузках.

Многослойный сосуд шаровой формы, включающий шаровую оболочку, выполненную из двух полусферических формованных оболочек, герметично соединенных между собой в «замок», отличающийся тем, что сосуд образован из набора отдельных шаровых оболочек, плотно вложенных одна в другую, каждая из которых составлена из полусфер, герметично соединенных между собой в «замок», при этом места стыка полусфер каждого слоя шаровых оболочек не совпадают.